[논문 리뷰] Inflation and Higgs Phenomenology in a Model Unifying the DFSZ Axion with the Majoron

Michael Matlis, Juhi Dutta외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 86인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 DFSZ 아키온 암흑물질, 메이저론 유사 중성자 질량, 그리고 힉스 포털 인플레이션을 통합하는 2hdSMASH 모델을 제안한다. 이 모델은 양자역학적 단위성과 아래에서의 유계 조건을 위반하지 않으면서도 성공적인 인플레이션을 가능하게 하며, 매우 작은 단일 스칼라 자기결합 상수 λS ∼ 10⁻¹⁰과 (v/vS) 및 (v/vS)² 범위의 포털 결합을 요구한다. 이는 다중 필드 공간 방향을 통해 효과적인 단일장 인플레이션을 가능하게 하며, 실험적으로 검증 가능한 콜라이더 기준을 제공한다.

ABSTRACT

The Two-Higgs-Doublet-Standard Model-Axion-Seesaw-Higgs-Portal inflation (2hdSMASH) model consisting of two Higgs doublets, a Standard Model (SM) singlet complex scalar and three SM singlet right-handed neutrinos can embed axion dark matter, neutrino masses and address inflation. We report on an investigation of the inflationary aspects of 2hdSMASH and its subsequent impact on low energy phenomenology. In particular, we identify inflationary directions for which the parameter values required for successful inflation do not violate perturbative unitarity and boundedness-from-below conditions. By analyzing the renormalization-group flow of the parameters we identify the necessary and sufficient constraints for running all parameters perturbatively and maintaining stability from the electroweak to the PLANCK scale. We observe that stringent constraints arise on the singlet scalar self coupling from inflationary constraints, i.e, $λ_S\sim 10^{-10}$. Further, we find that all theoretical and experimental constraints are satisfied if the portal couplings are typically in the range $(\frac{v}{v_S})$ and $(\frac{v}{v_S})^2$ (where $v, v_S$ refer to the electroweak and singlet scalar vacuum expectation value respectively). As a consequence, inflation is realized in a variety of field space directions in the effective single field regime. Finally we provide testable benchmark scenarios at colliders.

연구 동기 및 목표

• 2hdSMASH 모델의 인플레이션 일관성을 조사하는 것 — 이는 아키온 암흑물질, 중성자 질량, 그리고 인플레이션을 통합하는 프레임워크이다.
• 인플레이션 매개변수가 양자역학적 단위성과 아래에서의 유계 조건과 같은 이론적 제약 조건을 만족하는지 보장하는 것.
• 인플레이션 역학을 저에너지 힉스 물리학 및 콜라이더 검증 가능성과 연결하는 것.
• 인플레이션, 안정성, 그리고 모든 실험적 제약 조건이 동시에 만족되는 매개변수 영역을 식별하는 것.

제안 방법

• 모델은 표준모형에 두 개의 힉스 두중체, 복소 스칼라 레지드 스칼라(양자수축 스칼라), 그리고 세 개의 오른쪽으로 정렬된 메이저나 노이트론을 추가하여 DFSZ 아키온과 시즈모드 메커니즘을 통합한다.
• 인플레이션은 단일 스칼라와의 힉스 포털 결합을 통해 실현되며, 효과적인 단일장 영역은 (vS ≫ v)의 계단형 근사에서 분석된다.
• 전자약력 스케일에서 PLANCK 스케일까지의 양자역학적 군집 흐름(RG) 분석을 수행하여, 양자역학적 주기와 안정성을 보장한다.
• 일치 스케일 ms에서의 임계 보정을 계산하여, 부드럽게 깨진 U(1) 대칭을 가진 저에너지 효과적 ν2HDM 이론을 유도한다.
• 코클러-바이너버그 잠재력은 양자 보정을 계산하고 에너지 스케일 전반에서 진공 안정성을 평가하는 데 사용된다.
• 모든 이론적, 천체물리적, 콜라이더 제약 조건을 만족하는 벤치마크 포인트를 구성하였으며, LHC 및 향후 콜라이더에 대한 예측을 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2hdSMASH 모델의 인플레이션은 양자역학적 단위성 또는 아래에서의 유계 조건을 위반하지 않고 실현될 수 있는가?
• RQ2 인플레이션 역학으로부터 단일 스칼라 자기결합 상수 λS에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 포털 결합(λ1S, λ2S, λ12S)은 효과적인 단일장 인플레이션 영역에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 인플레이션, 진공 안정성, 그리고 콜라이더 제약 조건을 동시에 만족하는 가용 매개변수 영역은 무엇인가?
• RQ5 향후 콜라이더 실험을 위한 검증 가능한 벤치마크 시나리오를 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 인플레이션 제약 조건을 만족하면서도 양자역학적 단위성과 아래에서의 유계 조건을 유지하기 위해 단일 스칼라 자기결합 상수는 매우 작아야 하며, λS ∼ 10⁻¹⁰이 되어야 한다.
• 포털 결합은 (v/vS) 및 (v/vS)² 영역에 제약을 받으며, 이는 다중 필드 공간 방향을 통해 효과적인 단일장 인플레이션을 가능하게 한다.
• 모든 이론적 제약 조건을 적용할 경우, 전자약력 스케일에서 PLANCK 스케일까지의 양자역학적 주기와 진공 안정성이 유지된다.
• 효과적인 저에너지 이론은 부드럽게 깨진 U(1) 대칭을 가진 2HDM이며, ms 스케일에서 일치를 통해 유도된 보정이 있다.
• 코클러-바이너버그 잠재력은 모든 관련 스칼라, 페르미온, 게이지 보손에 대해 계산된 양자 보정을 통해 에너지 스케일 전반에서 진공 안정성을 확인한다.
• 실험적으로 검증 가능한 벤치마크 시나리오를 제공하며, LHC 및 향후 실험에서의 힉스 섹터 물리학과 콜라이더 서명에 대한 구체적인 예측이 있다.